Neue Basis für das Kilogramm

Silizium-Kugeln

Auf der Erde gibt es nur ein einziges Objekt, dessen Masse exakt bestimmt ist: Der Internationale Kilogramm-Prototyp – auch Urkilogramm genannt. Das ist ein etwa 39 Millimeter hoher Zylinder mit ebenfalls 39 Millimetern Durchmesser, der aus einer Platin- Iridium-Legierung besteht und in einem Safe in der Nähe von Paris aufbewahrt wird. Im Internationalen Einheitensystem (SI) definiert er, was ein Kilogramm ist. Alle anderen Referenz- oder Arbeitsnormale leiten sich von ihm ab. Ein Vergleich zeigt jedoch, dass er in den vergangenen 120 Jahren möglicherweise um rund 60 Mikrogramm leichter geworden ist.

[note Relative Masseänderungen der Kopien des Urkilogramms. In den Jahren 1946 und 1989 sind die Kopien des Urkilogramms jeweils mit dem Original verglichen worden. Viele von ihnen sind offensichtlich schwerer geworden – oder das Urkilogramm (Nulllinie) leichter. Grafik © DPG]

Zweifel an der Stabilität der Basiseinheit übertragen sich unmittelbar auf Präzisionsmessungen. Diese Unsicherheiten haben ferner großen Einfluss auf das Wirtschaftsleben: sichern Messungen der exakten Masse nach groben Schätzungen der deutschen Waagen-Industrie weltweit doch jährlich einen Umsatz von mehreren 100 Milliarden Euro ab. Daher wird seit vielen Jahren nach Wegen geforscht, das Kilogramm auf Grundlage von Naturkonstanten neu zu definieren.

Konstante h und Avogadro-Experiment

Zwei Ansätze scheinen besonders erfolgreich: Die sogenannte Watt-Waage stellt über einen Vergleich von elektrischen und mechanischen Größen eine Beziehung zwischen dem Kilogramm und der Planck- Konstante h her, die wichtig ist für Phänomene in der Quantenwelt.

Beim Avogadro-Experiment – benannt nach dem italienischen Physiker Amedeo Avogadro (1776 – 1856) – möchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler möglichst exakt die Zahl der Atome einer extrem präzise hergestellten Kugel ermitteln, die aus einkristallinem, nahezu isotopenreinen Silizium (28Si) besteht. Wenn diese sehr aufwändigen Experimente eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht haben, könnte eine Neudefinition des Kilogramm erfolgen.

Deutschland nimmt dabei eine wichtige Rolle ein. Einerseits ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt führend beim Versuch der Darstellung des Kilogramms mittels 28Si-Kugeln.

Andererseits besitzt die deutsche Waagen-Industrie weltweit einen Marktanteil von 21 Prozent. Allein in Deutschland gibt es schätzungsweise rund 200 Millionen Waagen: von Apothekerwaagen für wenige Milligramm über Waagen im Supermarkt bis zu Waagen für viele Tonnen.

[note Eine Siliziumkugel zur Bestimmung der Avogadro-Konstante. Nach der Neudefinition des Kilogramms könnten 28Si-Kugeln die bisherige Realisierung mit Platin-Iridium-Normalen ablösen. Foto © DPG]

Wegen der wirtschaftlichen Bedeutung ist eine Neudefinition der Masseeinheit daher sorgfältig vorzubereiten. Das „neue“ Kilogramm muss sich in der Praxis gleichermaßen bewähren wie das „alte“. Dazu haben sich die technischen Gremien über viele Jahre intensiv ausgetauscht. Im November 2014 hat die Generalkonferenz für Maß und Gewicht das Ziel bekräftigt, das Kilogramm im Zuge einer umfassenden Reform des Internationalen Einheitensystems im Jahr 2018 neu zu definieren, voraussichtlich gemeinsam mit den Einheiten für den elektrischen Strom (Ampere), die Temperatur (Kelvin) und die Stoffmenge (Mol). Alle sollen dann auf Naturkonstanten basieren, ähnlich wie beim Meter, der seit 1983 über die Lichtgeschwindigkeit definiert ist.
->Quelle: dpg-physik.de